ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phạm Công Minh
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI BÈO TÂY
THÀNH ETHANOL SINH HỌC
Chuyên ngành: Khoa học Môi trƣờng
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪ N KHOA HỌC:
PGS. TS. Nguyễn M ạnh Khải
H à N ội - Năm 2012
Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học
Phạm Công Minh K15 Cao học Môi t rƣờn g
Trang 2
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 6
1.1 Sinh khối và nhiên liệu sinh học 6
1.1.1 Khái niệm . 6
1.1.2. Các dạng nhiên liệu sinh học 6
1.1.3. Những lợi ích khi sử dụng nhiên liệu sinh học 6
1.2. Etanol sinh học . 6
1.2.1. Tính chất lý hoá học của Etanol 6
1.2.2. Phƣơng pháp sản xuất Etanol sinh học . 6
1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng Etanol sinh học 6
1.4. Vai trò của vi sinh vật trong việc phân giải hợp chất hữu cơ . 6
1.4.1. Cellulosese và vi sinh vật phân giải cellulosese 6
1.4.2. Hemicellulosese và vi sinh vật phân giải hemicellulosese . 6
1.5. Vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men rƣợu 6
1.5.1. Quá trình lên men rƣợu . 6
1.5.2. Nấm men dùng trong sản xuất rƣợu etylic . 6
1.6. Bèo tây và thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam 6

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 25
KẾT LUẬN . 25
KHUYẾN NGHỊ 25
TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined.
Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng
Trang 4
MỞ ĐẦU
Ngày nay, thế giới đang đứng trƣớc nguy cơ khủng hoảng năng lƣợng
trầm trọng. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, nguồn năng
lƣợng từ các sản phẩm hoá thạch dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40- 50
năm nữa. Để ổn định và đảm bảo an ninh năng lƣợng đáp ứng cho nhu cầu
con ngƣời cũng nhƣ các ngành công nghiệp, các nhà khoa học đang tập trung
nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới, trong đó nghiên cứu phát
triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật là một
hƣớng đi có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu
hoá thạch đang cạn kiệt, đảm bảo an ninh năng lƣợng cho từng quốc gia.
Sử dụng nhiên liệu sinh học có những ƣu điểm nhƣ giảm thiểu ô nhiễm
khí thải độc hại từ động cơ, tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ,
tăng hiệu suất của động cơ, mặt khác nhiên liệu sinh học khi thải vào đất có
tốc độ phân hủy sinh học cao nhanh hơn gấp 4 lần so với nhiên liệu hóa thạch.
Etanol sinh học (Bio-Etanol) là một loại nhiên liệu sinh học, đƣợc sản
xuất chủ yếu bằng phƣơng pháp lên men và chƣng cất các loại ngũ cốc chứa
tinh bột có thể chuyển hóa thành đƣờng đơn, thƣờng đƣợc sản xuất từ các loại
cây nông nghiệp hàm lƣợng đƣờng cao nhƣ ngô (ở Mỹ), lúa mì, lúa mạch,
mía (ở Brazil). Ngoài ra, Etanol sinh học còn đƣợc sản xuất từ cây cỏ có chứa
hợp chất cellulose. Etanol từ cellulose đã đƣợc sản xuất thành công và đƣa
vào sử dụng làm nhiên liệu ở nhiều nƣớc trên thế giới. Hiện nay, việc sản
xuất Etanol từ các loại cây lƣơng thực đang gây ra sự lo ngại về vấn đề an


Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng
Trang 6
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 Sinh khối và nhiên liệu sinh học
1.1.1 Khái niệm
1.1.2. Các dạng nhiên liệu sinh học
1.1.3. Những lợi ích khi sử dụng nhiên liệu sinh học
1.2. Etanol sinh học
1.2.1. Tính chất lý hoá học của Etanol
1.2.2. Phương pháp sản xuất Etanol sinh học
1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng Etanol sinh học
1.3. Vai trò của vi sinh vật trong việc phân giải hợp chất hữu cơ
1.3.1. Cellulosese và vi sinh vật phân giải cellulosese
1.3.2. Hemicellulosese và vi sinh vật phân giải hemicellulosese
1.4. Vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men rƣợu
1.4.1. Quá trình lên men rượu
1.4.2. Nấm men dùng trong sản xuất rượu etylic
1.5. Bèo tây và thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam
1.5.1. Đặc điểm của bèo tây
1.5.2. Sự phân bố bèo tây ở Việt Nam
1.5.3. Thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam
Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng
Trang 7
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
2.1.1 Đối tượng nghiên cứu
- Mẫu bèo tây đƣợc lấy tại hồ khu vực Bắc Linh Đàm, quận Hoàng Mai,


Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng
Trang 8
- Nguyên tắc: Phƣơng pháp này dựa trên cơ sở phản ứng tạo màu giữa
đƣờng khử với thuốc thử axit dinitrosalicylic (DNS). Ban đầu dung dịch axit
dinitro – salicylic (DNS) có màu vàng nhạt, sau khi phản ứng với đƣờng khử
chuyển sang màu da cam – đỏ đậm. Cƣờng độ màu của hỗn hợp phản ứng tỉ
lệ thuận với nồng độ đƣờng khử trong một phạm vi nhất định. Tiến hành so
màu ở bƣớc sóng 550nm. Dựa vào đồ thị đƣờng chuẩn của D-glucose với
thuốc thử DNS sẽ tính đƣợc hàm lƣợng đƣờng khử của mẫu.
Phƣơng trình phản ứng tạo màu giữa đƣờng khử và DNS axit:

2.2.4. Phương pháp lên men
 Nhân giống vi khuẩn lên men:
Môi trƣờng nhân giống gồm (pepton 5g/l; NaCl 5g/l). Lấy 100ml dung
dịch môi trƣờng nhân giống đƣa vào bình thủy tinh có nút cao su. Khử trùng
trong nồi hấp ở nhiệt độ 60-70
0
C trong 15 phút.
Cấy vi sinh vật vào dung dịch: Công việc đƣợc tiến hành trong tủ
khuấy vô khuẩn để tránh bị nhiễm các vi sinh vật khác có ảnh hƣởng xấu đến
vi khuẩn và quá trình lên men sau này. Dùng que cấy vòng và đƣợc vô khuẩn
trên đèn cồn chấm vào lọ đựng vi sinh vật sau đó từ từ đƣa vào bình thủy tinh
chứa dung dịch môi trƣờng nhân giống. Tiến hành nuôi cấy ở nhiệt độ phòng
trong 24h.
 Lên men mẫu:
Lấy 100ml dung dịch nƣớc lọc bèo của quá trình thủy phân cho vào
bình có nút cao su. Khử trùng trong nồi hấp ở nhiệt độ 60-70
0
C trong 60 phút.

- Tổng thời gian chạy mẫu là 8 phút.
- Bơm mẫu theo kiểu heat-spray: Gồm 3 bƣớc theo thứ tự (1), (2) và (3):
Mẫu ban đầu (1) đƣợc gia nhiệt đến trạng thái bão hòa (2), sau đó hút
nhƣ ở (3) và bơm vào cổng bơm mẫu của máy sắc ký khí.
(1) (2) (3)

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng
Trang 10
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Thành phần và khả năng phát triển của bèo tây
3.1.1. Thành phần lý hóa học của bèo tây
Phần thân bèo tây ban đầu có màu xanh lá cây, sau khi sấy khô bằng tủ
sấy chuyển sang màu nâu nhạt.
Khối lƣợng bèo tây ban đầu: 1kg phơi khô tự nhiên, sấy khô ở 70
0
C
đến khối lƣợng không đổi là 0,115 kg
Nhƣ vậy trong bèo tây nghiên cứu có chứa lƣợng nƣớc:
(1 - 0,115) * 100% = 88,5%
Kết quả phân tích thành phần mẫu bèo tây của Viện Chăn nuôi Việt
Nam theo 3 yếu tố cellulose, hemicellulose và lignin:
Bảng 7. Thành phần khối lượng bèo tây
Thành phần
% Khối lƣợng (khô)
Cellulose
34
Hemicellulose
43

bèo khô/m
2
/ngày. Đặc biệt, trong môi trƣờng nƣớc giàu chất dinh dƣỡng,
năng suất bèo tây có thể đạt tới mức 5 – 52g bèo khô/ m
2
/ngày.
Nhóm các nhà khoa học Mexico, E.L. Gutiérrez, E.F. Ruiz, E.G.
Uribe và J.M. Martínez nghiên cứu về sinh khối và năng suất bèo tây tại
các thuỷ vực, kết quả trong bảng 8 cho thấy sự phát triển của bèo tây tại
các đầm và hồ:
Bảng 8. Sản lượng và độ che phủ của bèo tây
Địa điểm
Sản lƣợng (khô)
Độ che phủ
Tổng sinh
khối (tấn)
TB
(kg/m
2
)
Lớn nhất
(kg/m
2
)
Trung bình
(ha)
% diện tích
Đầm Chairel
39,5
50,5

818
80
220.000
Đập Valle de Bravo
45,7
67
109
6
50.000
Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng
Trang 12
Theo nghiên cứu của Penfound and Earle, trên lƣu vực sông Mê Kông,
từ 10 cá thể bèo tây sau khoảng thời gian 8 tháng đã hình thành một quần thể
bèo tây với số lƣợng 655.000 cá thể, che phủ diện tích mặt nƣớc 0,4 ha.
Các nghiên cứu trên đã cho ta thấy đƣợc khả năng sinh sản cực nhanh
của bèo tây. Vì vậy, nếu không sử dụng nguồn sinh khối này sẽ rất lãng phí và
bèo tây còn có thể gây ra tác dụng tiêu cực với đời sống.
3.2. Kết quả thí nghiệm thủy phân chuyển hóa bèo tây thành đƣờng
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian
Tiến hành thủy phân 2,5g bèo tây với dung dịch 120ml H
2
SO
4
2,5%
trong các khoảng thời gian 35 – 60 phút ở 100
0
C. Kết quả đƣợc thể hiện trong
bảng 8:

1
1.5
2
2.5
35 40 45 50 55 60
Thời gian (phút)
Khối lượng (g)
0
0.5
1
1.5
2
Khối lượng đường Tỷ lệ thủy phân

Hình 8. Ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến khả năng thủy phân
Từ biểu đồ hình 8, có thể thấy trong khoảng khảo sát 35 – 60 phút thì
lƣợng đƣờng tạo ra chủ yếu trong 50 phút đầu tiên. Tại thời điểm 50 phút
lƣợng đƣờng tạo ra đạt giá trị lớn nhất (2,203 g) tƣơng ứng với tỷ lệ thủy phân
cao nhất (0,881 g/g). Do vậy đề tài lựa chọn thời gian thủy phân là 50 phút là
thời gian tối ƣu.
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ axit
Tiến hành thủy phân 3g bèo tây với dung dịch 120ml H
2
SO
4
, nồng độ
axit khảo sát trong khoảng 3% - 8% trong 50 phút ở 100
0
C. Kết quả thu đƣợc
thể hiện trong bảng 9:

(*): Tính cho 120ml dung dịch axit
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3% 4% 5% 6% 7% 8%
Nồng độ axit (%)
Khối lượng đường (g)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Khối lượng đường Tỷ lệ thủy phân

Hình 9. Ảnh hưởng của nồng độ axit đến khả năng thủy phân
Từ biểu đồ hình 9, thấy đƣợc trong khoảng khảo sát nồng độ axit
H2SO4 thủy phân 3% - 8% thì lƣợng đƣờng tạo ra ở nồng độ 7% là lớn nhất
(2,754 g) tƣơng ứng với tỷ lệ thủy phân cao nhất (0,918 g/g). Do vậy đề tài
lựa chọn nồng độ axit H2SO4 7% là nồng độ tối ƣu để sử dụng cho thí
nghiệm tiếp theo.
3.2.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng
Bèo tây đƣợc thủy phân trong 120ml axit H2SO4 7% theo các tỷ lệ rắn/
lỏng là 1:120, 1:60, 1:40, 1:30, 1:24, 1:20 ở 1000C trong 50 phút. Kết quả
đƣợc thể hiện trong bảng 10:
Bảng 11. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng thủy phân
Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

1:20
6
3,593
0,599

0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
1 2 3 4 5 6
Khối lượng bèo tây (g)
Khối lượng đường (g)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Khối lượng đường Tỷ lệ thủy phân

Hình 10. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng thủy phân
Từ biểu đồ 10, trong khoảng khảo sát khối lƣợng bèo tây thay đổi 1 –
6(g), lƣợng đƣờng tạo ra tỉ lệ thuận với khối lƣợng bèo tây đem thủy phân thì
khối lƣợng đƣờng thu đƣợc càng lớn. Vì ở 6g lƣợng đƣờng tạo ra đạt giá trị
lớn nhất 3,593 (g) nhƣng tỷ lệ thủy phân chỉ đạt 0,599 (g/g) thấp hơn so với tỷ
lệ thủy phân ở 3g (0,729 g/g). Vì vây, xét cả yếu tố sử dụng nguyên liệu hiệu

tiến hành thuỷ phân bèo tây với các thông số tối ƣu. Quá trình thuỷ phân đƣợc
tiến hành. Sản phẩm dung dịch đƣờng đƣợc chuẩn bị cho quá trình lên men,
còn bã bèo sẽ đƣợc phân tích thành phần các chất rắn còn lại.
Bảng 12. Thành phần chất rắn còn lại sau quá trình thuỷ phân
STT
Hợp chất
Nguyên liệu
ban đầu (g)
Sau quá trình
thuỷ phân (g)
1
Cellulose
1,02
0,692
2
Hemicellulose
1,29
0,593
3
Lignin
0,24
0,218
4
Khác
0.45
0,415
Tổng cộng
3,0
1,685
Từ số liệu về thành phần chất rắn còn lại sau quá trình thuỷ phân ở

Kết quả trong bảng 13 cho thấy hemicelluloses là hợp chất có khả năng
chuyển hoá hydrocacbon tốt nhất 54,08 % trong quá trình thuỷ phân bằng axit
H
2
SO
4
, tiếp đến là cellulose 32,2 %, ligini 9,21%. Kết quả này chỉ ra rằng:
lignin là hợp chất rất khó chuyển hoá trong quá trình thuỷ phân bằng axit.
Điều này phù hợp với các nghiên cứu trên thế giới về quá trình thuỷ phân
nguy
3.3. Khả năng chuyển hóa sản phẩm thủy phân thành Etanol
3.3.1. Xây dựng đường chuẩn Etanol
Các dung dịch Etanol đƣợc pha theo nồng độ định trƣớc và đƣợc đo
trên máy sắc ký khí GC. Từ kết quả đo đƣợc, vẽ đƣợc đồ thị biểu diễn mối
quan hệ giữa nồng độ Etanol và diện tích peak – xác định đƣờng chuẩn Etanol.

y = 3158.6x
R
2
= 0.9976
0
50000
100000
150000
200000
250000
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Nồng độ Etanol (mg/l)
Diện tích Peak


Tỷ lệ lên men
(mg/g)
Ngày 1
3426
1,08
0,033
Ngày 2
13447
4,26
0,128
Ngày 3
22795
7,22
0,217
Ngày 4
15198
4,81
0,144
Ngày 5
7196
2,28
0,068
Ngày 6
6078
1,92
0,058

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng

Etanol trong mẫu. Mặt khác, khi nồng độ Etanol trong mẫu tăng cao thì chủng
vi sinh sẽ bị “say” Etanol, khả năng chuyển hóa đƣờng thành Etanol sẽ bị suy
giảm.
Bảng 15. Hàm lượng Etanol và đường khử trong quá trình lên men
Mẫu
Nồng độ Etanol
(mg/l)
Nồng độ đƣờng khử
(g/l)
Ngày 1
1,08
2,75
Ngày 2
4,26
2,62
Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng
Trang 21
Ngày 3
7,22
2,08
Ngày 4
4,81
1,25
Ngày 5
2,28
0,89
Ngày 6
1,92

trị cực đại thì bắt đầu giảm dần, còn hàm lƣợng đƣờng khử vẫn tiếp tục giảm,
gần đến 0.
3.3.3. So sánh với các nghiên cứu trước đây
Kết quả cho thấy lƣợng Etanol tạo ra từ quá trình lên men dịch thủy
phân bèo tây không cao. Theo kết quả nghiên cứu của Naoto Urano (2007)
bèo tây sau khi thủy phân bằng axit và lên men thì từ 1kg bèo tây khô có thể
Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng
Trang 22
tạo ra 22,4 ml Etanol tƣơng ứng 17,67g. Tuy nhiên, vi sinh vật sử dụng trong
nghiên cứu này là nấm men đƣợc phân lập và phát triển trên môi trƣờng có
chứa bèo tây. Do đó nó sẽ phù hợp với môi trƣờng lên men và cho hiệu suất
sản xuất Etanol lớn hơn. Nấm men đƣợc xác định trong nghiên cứu này là
Candida intermedi.
Còn theo kết quả nghiên cứu của thạc sĩ Trần Đăng Thuần (2009) vi
khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109 sau khi lên men trực tiếp từ các
lignocellulose khác nhau lƣợng Etanol tạo ra đạt 0,16 – 0,42 g/g. Điều này
cho thấy rất có thể cơ chất trong dịch thủy phân chƣa phù hợp với vi khuẩn
Klebsiella oxytoca THLC0109, làm cho hoạt động của vi sinh vật không đạt
hiệu quả cao nhất.
Cũng xuất phát từ nguồn nguyên liệu là bèo tây, nhóm T.Kasthuri, D.
Gowdhaman và V. Ponnunami tại Ấn độ đã nghiên cứu sản xuất Etanol bằng
quy trình gồm 2 bƣớc: (i) Tiền xử lý bằng axit sulfuric với những nồng độ
khác nhau, sau đó đƣợc trung hoà bằng NaOH, (ii) Dung dịch sau quá trình
tiền xử lý đƣợc lên men bằng vi khuẩn Zymomonas mobilis. Nghiên cứu này
thực hiện cả 2 phƣơng pháp lên men theo mẻ và thuỷ phân, lên men đồng thời
để so sánh kết quả. Tiếp theo là tối ƣu hoá các thông số đặc trƣng nhƣ pH,
nhiệt độ, hàm lƣợng enzyme, hàm lƣợng chất nền để thu đƣợc sản lƣợng
Etanol cao hơn. Lƣợng Etanol thu đƣợc trong các điều kiện tối ƣu nhất là 68,3

Klebsiella
oxytoca
THLC0109
Bã ủ làm
phân
bón
Lên men trong 3 ngày
Ethanol
Chƣng cất
Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng
Trang 24
Dựa trên các kết quả nghiên cứu về khả năng sinh trƣởng của bèo tây
và sản lƣợng Etanol, đề tài này xây dựng một kịch bản ứng dụng quy trình sản
xuất Etanol từ bèo tây trên diện tích mặt nƣớc của các hồ trong khu vực thành
phố Hà Nội.
Đề tài đã ƣớc tính sản lƣợng bèo tây thu đƣợc trên diện tích mặt
nƣớc của các quận trong thành phố Hà Nội với độ che phủ mặt nƣớc của
bèo tây là 30kg/m
2
. Từ đó, tính đƣợc lƣợng Etanol thu đƣợc khi áp dụng
quy trình sản xuất Etanol ở trên. Kết quả sản lƣợng Etanol sản phâm trình
bày trong bảng 14:
Bảng 16 . Dự kiến sản lượng Etanol ứng với diện tích mặt nước của thành phố
STT
Quận
Diện tích
mặt nƣớc (ha)
Khối lƣợng

302,08
5
Hoàng Mai
100,6
30180
3470,7
753,14
6
Long Biên
25,5
7650
879,8
190,91
7
Tây Hồ
508,5
152550
17543,3
3806,89
8
Thanh Xuân
19,6
5880
676,2
146,74
Kết quả ƣớc tính nhƣ trong bảng 14 cho thấy, bèo tây là một nguồn
nguyên liệu để sản xuất Etanol trong tƣơng lai.
Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng

dụng của enzyme, cần tiếp tục nghiên cứu theo hƣớng này.
3. Trong quá trình nghiên cứu, đề tài mới chỉ xác định đƣợc tổng hàm
lƣợng đƣờng khử dựa tính theo glucoza làm cơ sở đánh giá mà chƣa xác định
rõ đƣợc hàm lƣợng của từng loại đƣờng 5 Cacbon và 6 Cacbon, cần nghiên
cứu thêm vấn đề này.